第六章相對(duì)論

1、第六章第六章 相對(duì)論相對(duì)論青神中學(xué)高二備課組第六章第六章 相對(duì)論相對(duì)論 6.1牛頓力學(xué)中運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性牛頓力學(xué)中運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性 6.2 狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè) 6.3 時(shí)間、長(zhǎng)度的相對(duì)性時(shí)間、長(zhǎng)度的相對(duì)性 6.4相對(duì)論的速度變換公式相對(duì)論的速度變換公式 質(zhì)能關(guān)系質(zhì)能關(guān)系 本章主要內(nèi)容是狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)知識(shí)，包括它的理論假設(shè)、時(shí)間和空間的相對(duì)性，速度疊加公式和質(zhì)能公式。 時(shí)空觀是人們對(duì)時(shí)間和空間的基礎(chǔ)觀點(diǎn)，隨著生產(chǎn)和科技的發(fā)展，在不同歷史時(shí)期人們有不同的時(shí)空觀，為了對(duì)比這些時(shí)空觀，在本章的第一節(jié)講述了經(jīng)典時(shí)空觀和伽利略速度變換，在第五節(jié)還介紹了一些關(guān)于廣義相對(duì)論的粗淺知識(shí)及

2、宇宙演化的概略描述。除知識(shí)以外本章還介紹了相對(duì)論建立對(duì)人類思想包括科學(xué)世界觀的影響。 相對(duì)論的一些內(nèi)容在物理 必修2中講述經(jīng)典力學(xué)的局限性時(shí)已有提及，本章進(jìn)一步介紹了相對(duì)論的基本概念和人類自然界的逐步深入的過(guò)程，目的在于提高學(xué)生的現(xiàn)代科學(xué)素養(yǎng)，并激發(fā)學(xué)生的求知欲與創(chuàng)新思想。 由于本章內(nèi)容離實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)太遠(yuǎn)，且難于用實(shí)驗(yàn)直接演示。所以本章教學(xué)上采取教師宣講的方式。又因?yàn)楸菊乱髮W(xué)生“知道”的知識(shí)點(diǎn)確實(shí)有些“怪異”，離學(xué)生原有的知識(shí)距離較大而且學(xué)時(shí)較少，所以就喲啊球教師自己要確實(shí)弄懂這些知識(shí)點(diǎn)的含義，然后以簡(jiǎn)要明確的方式，配合必要的示意圖，準(zhǔn)確的講給學(xué)生。本章各節(jié)的前后邏輯關(guān)系很強(qiáng)，教師要充分注意

3、到這一點(diǎn)而有效地加以教學(xué)。本章簡(jiǎn)介本章內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)要求本章內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)要求1.知道狹義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)、基本原理和主要結(jié)論。2.了解經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀的主要區(qū)別，體會(huì)相對(duì)論的建立對(duì)人類認(rèn)識(shí)世界的影響。6.1牛頓力學(xué)中運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性牛頓力學(xué)中運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)一、知識(shí)與技能：一、知識(shí)與技能： （1）使學(xué)生知道伽利略相對(duì)性原理 （2）使學(xué)生知道經(jīng)典時(shí)空觀 （3）使學(xué)生知道伽利略速度變換公式二、過(guò)程與方法：二、過(guò)程與方法： 知道經(jīng)典時(shí)空觀和伽利略速度變換公式，以及伽利略相對(duì)性原理是相對(duì)論出現(xiàn)之前的物理學(xué)發(fā)展背景。三、情感態(tài)度和價(jià)值觀：三、情感態(tài)度和價(jià)值觀： 辯證地看待經(jīng)典物理理論四、教學(xué)重點(diǎn)、

4、難點(diǎn)四、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) 伽利略相對(duì)性原理，以及伽利略速度變換教學(xué)活動(dòng)教學(xué)活動(dòng)一、伽利略（牛頓力學(xué)）相對(duì)性原理問(wèn)1：選擇不同的慣性參考系，觀察同一物體的運(yùn)動(dòng)，雖然測(cè)得的位置、速度、運(yùn)動(dòng)軌跡等會(huì)有不同，但遵循的力學(xué)定律是否相同呢？在學(xué)生進(jìn)行思考的基礎(chǔ)上，再利用“伽利略大船”來(lái)形象的說(shuō)明相對(duì)性原理。 視頻： 伽利略大船結(jié)論結(jié)論：在任何慣性參考系中，力學(xué)的規(guī)律都是一：在任何慣性參考系中，力學(xué)的規(guī)律都是一樣的，都可以用牛頓定律來(lái)描述。樣的，都可以用牛頓定律來(lái)描述。二、經(jīng)典時(shí)空觀二、經(jīng)典時(shí)空觀問(wèn)2：在不同的慣性系中對(duì)同一件事情經(jīng)歷的時(shí)間和同一個(gè)物體占有的空間即它的尺寸，測(cè)量得到的結(jié)果會(huì)相同嗎？結(jié)論：經(jīng)典時(shí)

5、空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是脫結(jié)論：經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是脫 離物質(zhì)而存在的、是絕對(duì)的，時(shí)間和空離物質(zhì)而存在的、是絕對(duì)的，時(shí)間和空間是相對(duì)獨(dú)立沒(méi)有聯(lián)系的。間是相對(duì)獨(dú)立沒(méi)有聯(lián)系的。三、伽利略速度變換三、伽利略速度變換vuvvuv 由伽利略坐標(biāo)變換可求得速度變換公式。 在一節(jié)相對(duì)地面以速率開(kāi)行的車廂內(nèi)，小麗相對(duì)于車廂以速率向前跑時(shí)，則她對(duì)地的速率 如果她相對(duì)車廂以速度向后跑時(shí)，則她對(duì)地的速率：地球上各方向地球上各方向的光速不同的光速不同“以太以太”的假說(shuō)的假說(shuō)6.2 狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)一一. 光速的伽利略速度變換未能被實(shí)驗(yàn)證實(shí)光速的伽利略速度變換未能被實(shí)驗(yàn)證實(shí)sm1099

6、8. 21800c邁克耳遜邁克耳遜莫雷莫雷 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)Maxwell 電磁場(chǎng)方程組電磁場(chǎng)方程組伽利略速度變換伽利略速度變換只有在只有在“以太以太” 中光沿各方向的光速都中光沿各方向的光速都為為CMaxwell 方程組只在方程組只在“以太以太”系中成系中成立立電磁規(guī)律不滿足力學(xué)相對(duì)性原理電磁規(guī)律不滿足力學(xué)相對(duì)性原理力學(xué)規(guī)律力學(xué)規(guī)律 滿滿 足足 力學(xué)相對(duì)性原理力學(xué)相對(duì)性原理光 源M1 鏡M2鏡半反半透鏡邁克耳遜干涉儀邁克耳遜干涉儀移動(dòng) M1 鏡觀察屏PSv干涉條紋干涉條紋M1M2邁克耳遜邁克耳遜 莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn)假設(shè)：假設(shè)： “以太以太”相對(duì)太陽(yáng)靜止相對(duì)太陽(yáng)靜止c - vc + v22vc2vS干涉

7、條紋干涉條紋M1M2O邁克耳遜邁克耳遜 莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果?4 . 0 N 0 N預(yù)計(jì)干涉條紋移動(dòng)預(yù)計(jì)干涉條紋移動(dòng)邁克耳遜邁克耳遜 莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn)假設(shè)：假設(shè)： “以太以太”相對(duì)太陽(yáng)靜止相對(duì)太陽(yáng)靜止1905年，年，A.Einstein 首次提出了狹義相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè)首次提出了狹義相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè) m/s 458 792 299 c1. 光速不變?cè)砉馑俨蛔冊(cè)碓谒械膽T性系中，光在真空中的傳播速率在所有的慣性系中，光在真空中的傳播速率為為 C 。說(shuō)明說(shuō)明： l 光速不隨觀察者的運(yùn)動(dòng)而變化光速不隨觀察者的運(yùn)動(dòng)而變化 l 光速不隨光源的運(yùn)動(dòng)而變化光速不隨光源的運(yùn)動(dòng)而變化 所有慣性系都

8、處于平等地位，沒(méi)有任何理由選某所有慣性系都處于平等地位，沒(méi)有任何理由選某一個(gè)參考系并把它置于特殊的與眾不同的地位。一個(gè)參考系并把它置于特殊的與眾不同的地位。二二. 狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)2. 狹義相對(duì)性原理狹義相對(duì)性原理一切物理規(guī)律在所有慣性系中具有相同的形式一切物理規(guī)律在所有慣性系中具有相同的形式說(shuō)明說(shuō)明：一切物理規(guī)律一切物理規(guī)律力學(xué)規(guī)律力學(xué)規(guī)律(1) Einstein 相對(duì)性原理相對(duì)性原理 是是 Newton力學(xué)相對(duì)性原理力學(xué)相對(duì)性原理的的 發(fā)展發(fā)展討論討論(2) 光速不變?cè)砉馑俨蛔冊(cè)砼c與伽利略的速度合成定理伽利略的速度合成定理針?shù)h相對(duì)針?shù)h相對(duì) 6.3 時(shí)間、

9、長(zhǎng)度的相對(duì)性時(shí)間、長(zhǎng)度的相對(duì)性教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) 知識(shí)與技能：知識(shí)與技能： （1）同時(shí)的相對(duì)性；（2）運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度的收縮；（3）時(shí)間間隔的相對(duì)；（4）了解時(shí)空相對(duì)性的驗(yàn)證；（5）了解相對(duì)論時(shí)空觀與經(jīng)典物理時(shí)空觀的主要區(qū)別 過(guò)程與方法：過(guò)程與方法： （1）理解同時(shí)相對(duì)性的推演過(guò)程男；（2）理解從“同時(shí)相對(duì)性”出發(fā)得出“運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度和時(shí)間間隔的相對(duì)性”的過(guò)程 情感態(tài)度和價(jià)值觀：情感態(tài)度和價(jià)值觀： （1）體會(huì)相對(duì)論嶄新的時(shí)空觀，體會(huì)相對(duì)論的建立對(duì)人類認(rèn)識(shí)世界的影響。（2）辯證地看待經(jīng)典物理理論 教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) ： 從“同時(shí)”的相對(duì)性得出運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度和時(shí)間間隔的相對(duì)性一、一、“同時(shí)同時(shí)”的相對(duì)性的相對(duì)

10、性 車廂上的人和地面上的人看到車廂中間燈光到車廂上的人和地面上的人看到車廂中間燈光到達(dá)前后車廂的先后是不一樣的達(dá)前后車廂的先后是不一樣的 車上的觀察者認(rèn)為光同時(shí)到達(dá)車廂的前后兩壁車上的觀察者認(rèn)為光同時(shí)到達(dá)車廂的前后兩壁 站臺(tái)上的觀察者認(rèn)為光先到車廂后壁后到前壁站臺(tái)上的觀察者認(rèn)為光先到車廂后壁后到前壁課本課本P101 思考與討論思考與討論結(jié)論：結(jié)論： 1、對(duì)于運(yùn)動(dòng)的火車上同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，、對(duì)于運(yùn)動(dòng)的火車上同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，對(duì)于地面就不是同時(shí)的對(duì)于地面就不是同時(shí)的 關(guān)鍵：在各個(gè)參考系中光速都為關(guān)鍵：在各個(gè)參考系中光速都為c 2、地面上同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的、地面上同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，

11、對(duì)于運(yùn)動(dòng)的火車也不是同時(shí)的火車也不是同時(shí)的 關(guān)鍵：相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵：相對(duì)運(yùn)動(dòng)二、長(zhǎng)度的相對(duì)性二、長(zhǎng)度的相對(duì)性 v v車上的人看到的車廂的長(zhǎng)度：車上的人看到的車廂的長(zhǎng)度：車外的人看到的車廂的長(zhǎng)度：車外的人看到的車廂的長(zhǎng)度：0ll0ll201cvll注意：注意：長(zhǎng)度縮短效應(yīng)只發(fā)生在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向上長(zhǎng)度縮短效應(yīng)只發(fā)生在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向上如上例中的如上例中的 X X 軸方向上，在軸方向上，在Y Y 軸方向上軸方向上無(wú)長(zhǎng)度縮短效應(yīng)無(wú)長(zhǎng)度縮短效應(yīng)動(dòng)尺變短（空間收縮效應(yīng)）動(dòng)尺變短（空間收縮效應(yīng)）S SO O X X YYA B O O S SX XY Y u1xl 結(jié)論結(jié)論 一條一條沿自身長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)沿自身長(zhǎng)度方

12、向運(yùn)動(dòng)的桿，的桿，其長(zhǎng)度總比桿靜止時(shí)的長(zhǎng)度小其長(zhǎng)度總比桿靜止時(shí)的長(zhǎng)度小斐克小伙劍術(shù)精，斐克小伙劍術(shù)精，出刺迅捷如流星，出刺迅捷如流星，由于空間收縮性，由于空間收縮性，長(zhǎng)劍變成小鐵釘長(zhǎng)劍變成小鐵釘. .三、時(shí)間間隔的相對(duì)性三、時(shí)間間隔的相對(duì)性在站臺(tái)上看運(yùn)在站臺(tái)上看運(yùn)動(dòng)火車上的鐘動(dòng)火車上的鐘在火車上看運(yùn)在火車上看運(yùn)動(dòng)站臺(tái)上的鐘動(dòng)站臺(tái)上的鐘 高速運(yùn)行的列車上，由車廂底部發(fā)出的閃光，對(duì)高速運(yùn)行的列車上，由車廂底部發(fā)出的閃光，對(duì)于車上的人來(lái)說(shuō)，閃光是在豎直方向反射的，而車于車上的人來(lái)說(shuō)，閃光是在豎直方向反射的，而車廂外的人認(rèn)為被接收的反射光是沿斜線傳播的廂外的人認(rèn)為被接收的反射光是沿斜線傳播的對(duì)于車廂內(nèi)

13、的人：對(duì)于車廂內(nèi)的人：對(duì)于車廂外的人：對(duì)于車廂外的人：cht202224vchth201cvtt相對(duì)速度與相對(duì)速度與動(dòng)鐘延緩效應(yīng)動(dòng)鐘延緩效應(yīng) ( =1s( =1s） V（米（米/秒）秒） 0.1c=3107 0.5c 0.8c 0.9c 0.99c 0.999c 0.9998c T(秒秒) 1.01 1.15 1.67 2.29 7.1 22.4 50 四、時(shí)空相對(duì)性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證四、時(shí)空相對(duì)性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 根據(jù)相對(duì)論，時(shí)間根據(jù)相對(duì)論，時(shí)間在運(yùn)動(dòng)中會(huì)進(jìn)行的比在運(yùn)動(dòng)中會(huì)進(jìn)行的比較緩慢，也就是說(shuō)，較緩慢，也就是說(shuō)，在空間中高速移動(dòng)的在空間中高速移動(dòng)的時(shí)鐘，比固定于地面時(shí)鐘，比固定于地面上的時(shí)鐘走得慢上的

14、時(shí)鐘走得慢19711971年，科學(xué)家將銫原子鐘放在噴氣式飛機(jī)中作環(huán)年，科學(xué)家將銫原子鐘放在噴氣式飛機(jī)中作環(huán)球飛行，然后與地面的基準(zhǔn)鐘對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)球飛行，然后與地面的基準(zhǔn)鐘對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)言符合的很好這是相對(duì)論的第一次宏觀驗(yàn)證言符合的很好這是相對(duì)論的第一次宏觀驗(yàn)證 早在早在19411941年，科學(xué)家通過(guò)對(duì)宇宙線的年，科學(xué)家通過(guò)對(duì)宇宙線的觀測(cè)證實(shí)了相對(duì)論的結(jié)論，美國(guó)科學(xué)家羅觀測(cè)證實(shí)了相對(duì)論的結(jié)論，美國(guó)科學(xué)家羅西和霍爾在不同高度統(tǒng)計(jì)了宇宙線中西和霍爾在不同高度統(tǒng)計(jì)了宇宙線中子子的數(shù)量，結(jié)果與相對(duì)論預(yù)言完全一致的數(shù)量，結(jié)果與相對(duì)論預(yù)言完全一致201cvtt201cvll當(dāng)兩個(gè)參考系的當(dāng)兩個(gè)

15、參考系的相對(duì)速度可與光速相相對(duì)速度可與光速相比時(shí)，時(shí)間與空間的比時(shí)，時(shí)間與空間的相對(duì)性才比較明顯相對(duì)性才比較明顯 狹義相對(duì)論的結(jié)論已經(jīng)完全得到證實(shí)，實(shí)際狹義相對(duì)論的結(jié)論已經(jīng)完全得到證實(shí)，實(shí)際上它已經(jīng)成為微觀粒子研究的基礎(chǔ)之一上它已經(jīng)成為微觀粒子研究的基礎(chǔ)之一 牛頓牛頓物理學(xué)的物理學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀絕對(duì)時(shí)空觀：物理學(xué)的：物理學(xué)的空間空間與時(shí)間與時(shí)間是絕對(duì)分離是絕對(duì)分離沒(méi)有聯(lián)系沒(méi)有聯(lián)系的，脫離物質(zhì)而的，脫離物質(zhì)而單獨(dú)存在，單獨(dú)存在，與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。 而相對(duì)論認(rèn)為：有物質(zhì)才有時(shí)間和空間，而相對(duì)論認(rèn)為：有物質(zhì)才有時(shí)間和空間，空間和時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。空間和時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。

16、 人類對(duì)于空間、時(shí)間更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)而形人類對(duì)于空間、時(shí)間更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)而形成的新的時(shí)空觀，是建立在新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)和成的新的時(shí)空觀，是建立在新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)和相關(guān)結(jié)論與傳統(tǒng)觀念不一致的矛盾基礎(chǔ)上，相關(guān)結(jié)論與傳統(tǒng)觀念不一致的矛盾基礎(chǔ)上，不斷發(fā)展、不斷完善起來(lái)的。不斷發(fā)展、不斷完善起來(lái)的。五、相對(duì)論的時(shí)空觀五、相對(duì)論的時(shí)空觀小小 結(jié)結(jié)一、一、“同時(shí)同時(shí)”是相對(duì)的是相對(duì)的二、長(zhǎng)度的相對(duì)性二、長(zhǎng)度的相對(duì)性三、時(shí)間間隔的相對(duì)性三、時(shí)間間隔的相對(duì)性201cvtt201cvll 知識(shí)與技能：知識(shí)與技能： （1）運(yùn)動(dòng)速度的相對(duì)論變換 （2）相對(duì)論質(zhì)量 （3）質(zhì)能方程 過(guò)程與方法：過(guò)程與方法： 讓學(xué)生體會(huì)到自洽性檢驗(yàn)是

17、科學(xué)理論研究的一個(gè)基本方法。 情感態(tài)度和價(jià)值觀：情感態(tài)度和價(jià)值觀： 體會(huì)物理學(xué)中蘊(yùn)含的簡(jiǎn)單與和諧之美（質(zhì)能方程） 教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) ： 重點(diǎn)：重點(diǎn)：三個(gè)公式 難點(diǎn)：難點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)速度的相對(duì)性變換 6.4 相對(duì)性的速度變換公式相對(duì)性的速度變換公式質(zhì)能關(guān)系質(zhì)能關(guān)系一、相對(duì)論的速度變換公式一、相對(duì)論的速度變換公式地面上的人看到車上地面上的人看到車上人相對(duì)地面的速度為：人相對(duì)地面的速度為：21cvuvuu車對(duì)地的速度為車對(duì)地的速度為v v，人對(duì)車的速度為，人對(duì)車的速度為u u/ /vu 例如：地面上空以v=0.9C飛行的飛船，向前發(fā)射一導(dǎo)彈，導(dǎo)彈對(duì)飛船的速率為u,=0.5C 按照伽利略速度變換

18、公式：u= v+ u,得，導(dǎo)彈對(duì)地面的速度u=0.9C+ 0.5C=1.4C ,超過(guò)了真空中的光速! 該公式不再適用。 而相對(duì)論速度變換公式： 得u=0.966C 仍然未達(dá)到C21cvuvuu 物體的運(yùn)動(dòng)速度不能無(wú)限增加，那么物物體的運(yùn)動(dòng)速度不能無(wú)限增加，那么物體的質(zhì)量是否隨著速度而變化？體的質(zhì)量是否隨著速度而變化？ 嚴(yán)格的論證表明，物體高速（與光速相嚴(yán)格的論證表明，物體高速（與光速相比）運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量與它靜止時(shí)的質(zhì)量之間有比）運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量與它靜止時(shí)的質(zhì)量之間有下面的關(guān)系：下面的關(guān)系：201cvmmm為運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為運(yùn)動(dòng)質(zhì)量 m0為靜止質(zhì)量為靜止質(zhì)量二、相對(duì)論質(zhì)量二、相對(duì)論質(zhì)量 微觀粒子的速度很高，它的質(zhì)量明顯微觀粒子的速度很高，它的質(zhì)量明顯的大于靜止質(zhì)量在研究制造回旋加速器的大于靜止質(zhì)量在研究制造回旋加速器時(shí)必須考慮相對(duì)論效應(yīng)的影響時(shí)必須考慮相對(duì)論效應(yīng)的影響19881988年，中年，中國(guó)第一座高能粒國(guó)第一座高能粒子加速器子加速器北北京正負(fù)電子對(duì)撞京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)首次對(duì)撞成功機(jī)首次對(duì)撞成功 物體的能量和質(zhì)量之間物體的能量和質(zhì)量之間存在密切的聯(lián)系，他們的關(guān)存在密切的聯(lián)系，他們的關(guān)系是：系是：2mcE 這就是著名的愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程這就